Cuando los equipos de cómputos funcionan , la energía que consumen eventualmente finaliza en forma de calor. Esto no es todo debido a la ingeniería de la computadora - la física tiene algo que decir sobre el fundamental costo de la energía en el tratamiento de la información.
La investigación reciente por un equipo de físicos revela una sorpresa en este nivel fundamental. Los profesores Renato Renner, y Vlatko Vedral del Centro Cuántico de Tecnologías en la Universidad Nacional de Singapur y la Universidad de Oxford, Reino Unido, y sus colegas describen en la revista científica Nature cómo la supresión de los datos, en determinadas condiciones, pueden crear un efecto de enfriamiento en lugar de generar calor. El efecto de enfriamiento aparece cuando el extraño fenómeno cuántico del entrelazamiento es invocado. En última instancia, puede ser posible aprovechar este efecto para enfriar las supercomputadoras que tienen sus desempeños frenados por la generación de calor. «Alcanzar el control del nivel cuántico que sería necesario para aplicar esto en supercomputadoras es un reto tecnológico enorme, pero puede que no sea imposible. Hemos visto un enorme progreso en tecnologías cuánticas en los últimos 20 años, »dice Vedral. Con la tecnología de la física cuántica de los laboratorios de hoy en día, debería ser posible hacer un experimento de prueba del principio sobre unos pocos bits de datos.
El físico Rolf Landauer calculó en 1961 que durante la supresión de datos, alguna liberación de energía en forma de calor es inevitable.El principio de Landauer implica que cuando un cierto número de operaciones aritméticas por segundo se han superado, el equipo producirá tanto calor que el calor es imposible de disipar. En los superordenadores de hoy otras fuentes de calor son más importantes, pero Renner piensa que el umbral crítico donde el calor Landauer se volverá importante puede llegar en los próximos 10 a 20 años. La emisión de calor debido a la supresión de una cantidad de diez terabytes de disco duro, en principio, es menos de una millonésima de joule. Sin embargo, si tal proceso de eliminación se repite muchas veces por segundo, entonces el calor se acumula.
la imágen muestra el montaje experimental un observador está representado por una máquina con una memoria cuántica (O) el cual borrará un sistema (S) usándo un baño caliente a una temperatura (T).El observador puede almacenar y extraer energía desde una batería (B).El resto del montaje está representado por el sistema de referencia (R).Crédito.Renato Renner.
El nuevo estudio revisa el principio de Landauer en los casos en que los valores de los bits que se desean borrar puedan ser conocidos. Cuando el contenido de la memoria es conocido, debería ser posible eliminar los bits de tal manera que en teoría es posible volver a crearlos. Ha sido demostrado que tal supresión reversible no generaría calor. En el nuevo estudio, los investigadores dan un paso más. Ellos muestran que cuando los bits son eliminados están cuánticamente entrelazados con el estado de un observador, entonces el observador podría incluso retirar el calor del sistema mientras se eliminan los bits. El entrelazamiento vincula el estado del observador al de la computadora de tal manera que ellos saben más acerca de la memoria de lo que es posible en la física clásica.
Para llegar a este resultado, los científicos combinaron ideas de la teoría de la información y la termodinámica de un concepto conocido como entropía .La entropía aparece de forma diferente en estas dos disciplinas, que son, en gran medida, independientes entre sí. En la teoría de la información, la entropía es una medida de la densidad de información. Ella describe, por ejemplo, cuanta capacidad de memoria un determinado conjunto de datos tomará hasta que se compriman de manera óptima. En termodinámica, por el contrario, la entropía se relaciona con el desorden en los sistemas, por ejemplo, para el arreglo de las moléculas en un gas. En termodinámica, la adicción de entropía en un sistema suele ser equivalente a la adición de energía en forma de calor.
El físico Renner dice «Hemos demostrado que en ambos casos, el término entropía está en realidad describiendo lo mismo incluso en el régimen mecánico cuántico ». Como las fórmulas de las dos entropías tienen el mismo aspecto, ya se había asumido que había una conexión entre ellas. «Nuestro estudio muestra que en ambos casos, la entropía se considera un tipo de falta de conocimientos», dice Renner. El nuevo artículo en la revista Nature se basa en trabajos publicados anteriormente en la revista New Journal of Physics.
En la medición de la entropía, hay que tener en cuenta que un objeto no tiene una cierta cantidad de entropía de por sí, en su lugar la entropía de un objeto es siempre dependiente del observador. Aplicado al ejemplo de la eliminación de datos, esto significa que si dos personas eliminan datos en una memoria y una tiene más conocimiento de estos datos, ella percibe que la memoria tiene una menor entropía y, a continuación puede borrar la memoria utilizando menos energía. La entropía de la física cuántica tiene la rara propiedad de a veces ser negativa si se calcula desde el punto de vista de teoría de la información. El perfecto conocimiento clásico de un sistema equivale a que el observador lo percibe a él con entropía igual acero. Esto corresponde a la memoria del observador y aquella del sistema que están perfectamente correlacionadas, en la medida de lo permitido por la física clásica.El entrelazamiento da al observador "más que un conocimiento completo", porque las correlaciones cuánticas son más fuertes que las correlaciones clásica. Esto conduce a una entropía menor que cero. Hasta ahora, los físicos teóricos han utilizado esta entropía negativa en los cálculos sin entender lo que podría significar en términos termodinámicos o experimentalmente.
En el caso de un conocimiento clásico perfecto de la memoria de un ordenador (cero entropía), la supresión de los datos requiere, en teoría, ninguna energía en lo absoluto. Los investigadores demuestran que "más que un conocimiento completo", desde el entrelazamiento cuántico con la memoria (entropía negativa) se conduce a la supresión de datos que son acompañados por el retiro del calor de la computadora y su liberación como energía utilizable. Este es el significado físico de la entropía negativa.
Renner destaca, no obstante, "Esto no quiere decir que podemos desarrollar una máquina de movimiento perpetuo". Los datos sólo se pueden eliminar una vez, así que no hay posibilidad de seguir generando energía. El proceso asi mismo destruye el entrelazamiento, y sería necesario un aporte de energía para restablecer el sistema a su estado inicial. Las ecuaciones son consistentes con lo que se conoce como la segunda ley de la termodinámica: la idea de que la entropía del universo nunca puede disminuir. Vedral dice: "Estamos trabajando en el borde de la segunda ley. Sin ir más lejos, de lo que la rompería."
Los nuevos conocimientos científicos sobre la entropía en termodinámica y la teoría de la información pueden tener una utilidad más allá de calcular el calor producido por las computadoras. Por ejemplo, los métodos desarrollados en teoría de la información para manejar la entropía podrían dar lugar a innovaciones en la termodinámica. La conexión entre los dos conceptos de entropía es fundamental.
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fuente de la información:
http://www.physorg.com/news/2011-06-quantum-knowledge-cools-entropy.html
